机器人动力学

动力学系统机器人动力学01研究背景柔性含间隙机构及分析方法并联目录03050204基本信息机器人动力学是对机器人机构的力和运动之间关系与平衡进行研究的学科。机器人动力学是复杂的动力学系统，对处理物体的动态响应取决于机器人动力学模型和控制算，主要研究动力学正问题和动力学逆问题两个方面，需要采用严密的系统方法来分析机器人动力学特性。研究背景研究背景机器人动力学的研究是所有类型机器人发展过程中不可逾越的环节，也是形成机器人终极产品性能评价指标与重要的科学依据。以往机器人的发展已经表明，多体系统动力学是机器人研发中不可或缺的基础力学理论。随着新型传动与驱动机构以及智能与软物质材料的出现，可以预计柔性化、软性化、可变化、微型化和控制智能化将成为未来机器人发展的重要方向，使机器人的各种作动更接近生物体的仿生体，因此，以仿生为主要特征的刚柔耦合、柔软体和变形机器人对任务和环境的适应性强，其快速发展在一定程度上将促进机器人研究的步伐，同时，这种趋势和需求也将会使得机器人动力学和控制研究面临重大挑战。

现代机械向高速、精密、重载方向发展，机构动力学问题显得特别重要，已经成为直接影响机械产品性能的关键问题。机构及机器人动力学领域的重点研究方向主要包括：柔性机构动力学、柔性机器人动力学、柔顺机构动力学、并联机器人动力学和含间隙机构动力学等。

分析方法分析方法随着机器人技术的不断发展，国内外学者在机器人动力学建模方法已做了大量的研究工作，一般主要采用4×4齐次变换矩阵和3×3旋转变换矩阵，从机器人各杆的位置入手，应用某种力学原理，得出机器人动力学模型。其中Lagrange方法是常用的方法之一，然而对复杂的多自由度机器人机构来说，建立并求解相应的Lagrange方程并非易事，建立部件或系统的运动方程时，有许多计算机无法代替的、繁杂的人工计算工作，费时费力且容易出错。机器人动力学模型直接关系到机器人控制、动态特性和动力优化等问题的研究，一个好的动力学模型不仅要求推导方便，结构形式简单，便于理论分析，而且要程式化强，便于计算机编程和计算。分析方法的主要思想是用等效单元来代替系统中的真实部件，用等效单元组成的等效系统代替真实运动系统。等效单元的运动微分方程的表达形式规范统一，等效系统的运动方程的组装简单方便，使人工分析计算量大大减少，适于计算机编程。最后，应用于2-DOF平面并联机器人机构的动力学建模，通过和ADAMS仿真结果进行比较，为其他复杂机器人机构的动力学分析提供了一种新的建模手段。

柔性柔性在弹性及柔性机构动力学发展的基础上，与之相关的柔性机器人动力学领域也得到了较大的发展，从机器人机构的角度看，其发展状况与柔性机构有相似之处。虽然人们从控制角度提出了多种方法来对构件柔性变形所带来的运动学及动力学问题从机器人外部进行了补偿，使该问题得到一定程度的解决，但对于机器人主体的柔性机构内在品质却没有得到改善，使得机器人的整体性能难以真正提高。因此，从机器人机构研究的角度出发，应在改善其机械结构和特性方面进行深入研究，充分利用机构冗余度、结构柔性等机械特性，在冗余驱动、欠驱动等方面想办法，从多部展冗余度柔性机器人、欠驱动柔性机器人、柔性机器人协调操作和冗余度柔性机器人协调操作等交叉领域的研究，同时，与先进的控制方法相结合，从机器人的内部特性和外部手段两方面入手，综合提高机器人的整体动力学性能。

并联动力学与控制技术分析并联技术分析并联机器人是机器人学及机构学领域多年来的热门研究课题，在并联机器人结构设计及运动学分析方面国内外都己取得大量成果，但在并联机器人动力学方面的工作却很少，只有一些初步成果。如果想要提高并联机器人的工作能力，特别是动刚度和精度，就必须从其动力学这一根本问题上下工夫。可以说，并联机器人能否在加工机床、重型及精密操作等场合得到很好的应用，最终是取决于动力学这一关键问题的解决程度。在此领域中，系统建立并联机器人动力学模型和分析方法、全面认识其动力特性、从而改善和提高其性能、最终设计出具有良好动力学品质的并联机器人，在这一系列研究课题中还有许多工作要做。同时，如能考虑并联机器人中部件的变形，与柔性机器人结合起来，还可以开发出柔性并联机器人这一新的研究方向，这对进一步提高机器人性能、扩展机器人研究领域都是具有积极作用的。

并联机器人属于空间多环机构，由于并联结构不存在累计误差而具有高精度，所承受的载荷由各个分支分担而具有高承载能力、较大的剐度，而且具有结构简单，重量轻等特点，近些年来已经引起国内外学者的广泛。动力学与控制与大量的运动学文献相比,关于动力学的文献相对要少得多。早期进行动力学的讨论是Fichter和Merlet,在忽略连杆的惯性和关节的摩擦后,得出了Stewart机器人的动力学方程Sugim,通过分析关节约束反力的方法分析了Stewart机器人的逆动力学方程,但是文献中缺乏动力学条件的详细推导。ODO和Yang通过NewtOn-Euler法,在假定关节无摩擦,各支杆为不对称的细杆(即重心在轴上且饶轴向的转动惯量可以忽略)条件下,完成了Stewart机器人的逆动力学分析。Geng和Liu在简化了机构的几何和惯性分布后,推导出了机器人的Lagrangian方程,Ji分析了SteWart机器人腿的惯性对动力性能影响，对于具有一般结构和惯量分布的SteWart机器人,Dasgupta和Mruthyunjaya推导出了完整的逆动力学方程,并利用NeWtOn-Euler法建立了一个高效的算法,能够很好的应用于并联机器人的动力学计算,他们运用此法,得出了6-UPS和6-PSS型SteWart机器人封闭的动力学方程,GOsselin指出由于机构结构的并联特点,并行计算方案可以很好的应用到并联机构的计算问题中去,。任务空间的动力学公式利用NeWtOn-Euler法,将能够很好的用于一般的并联机器人,也可以用于其他类型的并联机器人,Stewart平台机器人的控制也很少有文献报道,几乎是尚未解决的领域,现有的试验样机也都是把各个自由度当成完全独立的系统,采用传统的PID控制,控制效果不够理想,为使并联机器人能进入实际应用阶段,对其控制理论~控制系统与技术还需做进一步深入的研究,关于并联机器人的动力学和控制研究还没有完全开展起来,尽管机器人完整的动力学公式已经有了,但关于他的动力特性的结论很少,也还没有研究出能够充分利用并联结构特点的控制策略。含间隙机构及含间隙机构及运动副间隙是影响机构动力学特性的重要因素之一，虽然与柔性机构动力学等一起被列为机构动力学领域的前沿课题，但其研究成果相比之下却要少得多。在含间隙机构的动力学模型、运动副分离准则、混沌特性、优化设计等方面的基础性工作还不够成熟，尚需要进行系统深入的研究。最近，考虑关节中间隙问题的机器人动力学开始引起人们的兴趣，这也是机器人机构学新的研究方向之一，而它在很大程度上依赖于含间隙机构动力学方面